[发明专利]IEEE1588时钟同步系统及其实现方法

说明书

技术领域

本发明属于网络信息传输技术领域，涉及IEEE1588时钟同步系统及其实现方法。

背景技术

目前，随着以太网技术的快速发展，现代工业对时钟同步精度要求越来越高。由于现有的时钟同步方式都存在局限性，实现高精度、高可靠性、低成本的对时方式受到广泛关注。

常用于以太网的同步协议有：网络时间协议NTP(Network Time Protocol)和其简单版本SNTP(Simple Network Time Protocol)。NTP/SNTP协议用途是将计算机的时间同步到某些时间标准，采用服务器/客户端模式在应用层进行时间同步，同步精度不高，一般在10ms到100ms之间，无法满足现代工业对高精度时钟的要求。

IEEE1588协议全称为网络化测量和控制系统的精密时钟同步协议，简称为精密时间协议(PTP，Precision Time Protocol)，相比于NTP/SNTP协议，IEEE1588协议是一种基于以太网的较为精确的时钟同步解决方案，其功能为使分布式网络中的其它时钟与最精确时钟保持时钟同步。用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级时钟同步。

经过对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号为200810187676.0，公开号为CN101447861A，名称为“IEEE1588时间同步系统及其实现方法”的专利，给出了一种基于IEEE1588协议的时间同步系统，通过时间戳处理模块结合交换机模块、物理层模块以及相应外围部件构成一个具备时钟同步功能的硬件系统。

上述技术虽然采用了硬件方式实现时钟同步，但由于实现方法仅仅是周期性的校正从设备，使校正瞬时时刻主从设备的偏移为零，而没有对频率进行补偿，导致随时间的变化主从设备间的时钟偏差逐渐增加，这种时间漂移产生时间偏差较大，高精度对时情况下是不允许的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是对频率补偿，减少时间偏移量，实现以太网的高精度时钟同步。本发明目的是提供一种IEEE1588时钟同步系统及其实现方法。

本发明的技术方案是：

本发明涉及一种IEEE1588时钟同步系统，包括：CPU控制模块、以太网介质访问控制(MAC)控制器模块、带时间戳管理功能的物理层(PHY)收发器模块、本地时钟模块以及GPS模块，其中：CPU控制模块通过总线与以太网MAC控制器模块相连，用于控制所述系统并实现PTP协议和时钟同步，以太网MAC控制器模块用于实现PTP报文的发送以及接收，GPS模块与本地时钟模块相连，为系统提供精确的时间基准，本地时钟模块与CPU控制模块相连，在传输报文时提供本地时钟基准，带时间戳管理功能的PHY收发器模块通过独立媒体接口(Media Independent Interface，MII)与以太网MAC控制器模块相连，完成时间戳的加盖、获取并将时间信息插入到报文中，并根据IEEE 802.3标准完成带时间戳的数据包的传输。

所述的PTP报文是指：当数据处理和状态机单元判断本系统为主设备时，则周期性的发送同步Sync报文和Follow_Up报文，并在接收到从设备发送的Delay_Req报文后，发送Delay_Resp报文；当数据处理和状态机单元判断本系统为从设备时，则在接收到Sync报文后，启动时钟调节模块将计算出的频率补偿值传输至本地时钟模块，同时向主设备发送Delay_Req报文。

所述的带时间戳管理功能的PHY收发器模块包括：MII接口、PTP时钟、PTP控制单元以及PTP数据包探测器，其中：MII接口与以太网MAC控制器相连并传输与数据包相关的数据、时钟和控制信息，PTP数据包探测器与MII接口相连接并为通过的PTP报文加盖时间戳信息，PTP控制单元与PTP数据包探测器相连接并控制报文传输，PTP时钟与PTP控制单元相连接并为外部提供同步后的时钟信息。

所述的GPS模块包括光纤接收器和光电转换器，当系统工作时，该GPS模块将GPS光信号转换为电信号，再将电信号的电压幅值降低后送入本地时钟模块，作为系统工作的精确时间基准。

所述的本地时钟模块内置晶体振荡器用于产生工作时钟，当系统为从设备且本地时钟模块被触发时，该模块通过时钟调节模块，实现频率补偿功能，克服晶振漂移，使得普通的晶振也能用于高精度的时钟同步。

CPU控制模块中的时钟调节模块包括：32位调频寄存器、32位本地时钟周期寄存器、32位纳秒寄存器和32位秒寄存器，其中：